JP6457162B2 - 高圧放電ランプ及び照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、高圧放電ランプ及び照明装置に関し、より詳細には、露光装置の多灯の光源部を構成する高圧放電ランプ及び照明装置に関する。
近年、フラットパネルディスプレイ装置のカラーフィルタや、プリント配線基板を製造する際に使用される露光装置では、露光領域の拡大が求められていることから、光源部の出力も高めることが求められている。このため、製造コストなどで有利な、比較的低照度の高圧放電ランプを複数用いて、光源部を構成するようにしたものが種々知られている(例えば、特許文献1参照)。
図8に示すように、従来の高圧放電ランプ100としては、放電し光を発光する発光管110と、発光管110からの光に指向性を持たせて出射するリフレクタ120と、発光管110とリフレクタ120とを固定する碍子130と、発光管110と電気的に接続されるワイヤ140と、を主に備える。発光管110内には、ハロゲンガス、水銀、始動用アルゴン等が封入された内部空間を有する発光部111、発光部111の内部空間を封止する一対の封止部112、113、及び、発光部111内に互いに対向して配置された一対の電極114、115が設けられている。
また、特許文献1に記載の光源装置では、放電ランプ100が純正品か否かを高精度、短時間かつ低コストに検査できるように、碍子130の内部に、白熱灯131が設けられている。
さらに、特許文献2に記載の光照射装置では、複数のランプをカセットに位置決めして使用する構成において、各ランプのベース部材に、各ランプを冷却するための冷却路を形成することが記載されている。
日本国特開2016−200751号公報 日本国特開2012−113269号公報
ところで、高圧放電ランプでは、ランプ毎の照度アップも求められている。このため、発光部内の輝点でのエネルギー量が増大することから、冷却効率のさらなる改善が求められる。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却効率を高めて、照度アップを図ることが可能な高圧放電ランプ及び照明装置を提供することにある。
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
(1) 一対の電極が対向して配置される楕円体状又は球面状の発光管部と、該発光管部の両端部に連接され、前記一対の電極の長手軸線に沿って延びる一対の側管部と、を有するガラス製の発光管と、
前記長手軸線方向の一方側に設けられ、一方の前記側管部が突出する開口部と、前記長手軸線周りに形成される放物面状の反射面と、前記長手軸線方向の他方側に形成され、他方の前記側管部が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
を備え、
前記碍子は、前記他方の側管部と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、
前記一方の側管部の長さは、前記他方の側管部の長さよりも長く、
前記一方の側管部は、前記ランプの不感領域内に配置されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
(2) 前記リフレクタには、前記開口部に隣接し、前記長手軸線方向に垂直な平坦面が設けられ、
前記長手軸線方向において、前記リフレクタの平坦面から前記一方の側管部までの距離L3は、前記発光管部の中心から前記リフレクタの平坦面までの距離をL4としたとき、0.2×L4≦L3≦1.0×L4であることを特徴とする(1)に記載の高圧放電ランプ。
(3) 一対の電極が対向して配置される楕円体状又は球面状の発光管部と、該発光管部の両端部に連接され、前記一対の電極の長手軸線に沿って延びる一対の側管部と、を有するガラス製の発光管と、
前記長手軸線方向の一方側に設けられ、一方の前記側管部が突出する開口部と、前記長手軸線周りに形成される放物面状の反射面と、前記長手軸線方向の他方側に形成され、他方の前記側管部が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
を備え、
前記一方の側管部の長さは、前記他方の側管部の長さよりも長く、
前記碍子は、前記他方の側管部と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通すると共に、前記他方の側管部を前記外部に開放した2つの開放部を有し、
前記2つの開放部は、開口面積が互いに異なることを特徴とする高圧放電ランプ。
(4) 請求項3に記載の高圧放電ランプが複数装着されたランプホルダを備える照明装置であって、
前記高圧放電ランプは、前記碍子に形成された前記2つの開放部が上下方向に位置するように、前記ランプホルダに取り付けられ、
上側に位置する前記開放部の開口面積は、下側に位置する前記開放部の開口面積よりも大きいことを特徴とする照明装置。
本発明の高圧放電ランプによれば、碍子は、発光管の他方の側管部とリフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、また、一方の側管部の長さは、他方の側管部の長さよりも長く、一方の側管部は、ランプの不感領域内に配置されている。これにより、発光管の両側管部での冷却効率を高めることができ、また、リフレクタで反射した光を阻害することがなく、ランプ自体の照度アップを図ることができる。
さらに、本発明の高圧放電ランプ及び照明装置によれば、一方の側管部の長さは、前記他方の側管部の長さよりも長く、碍子は、他方の側管部とリフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通すると共に、他方の側管部を外部に開放した2つの開放部を有し、2つの開放部は、開口面積が互いに異なる。これにより、発光管の温度が高くなる部分に、開口面積が大きい開放部を位置させることができ、冷却効率を上げることができる。
本発明の一実施形態に係る高圧放電ランプの斜視図である。 図1に示す高圧放電ランプの側面図である。 図1に示す高圧放電ランプの断面図である。 図1に示す高圧放電ランプを、図3と直交する位置で切断した断面図である。 (a)は、輝点から発光された光の配向分布を示す図であり、(b)は、リフレクタの反射面で反射された光の配向分布及び不感領域を示す図である。 本実施形態の高圧放電ランプがランプホルダに取り付けられた状態を示す斜視図である。 ランプの寿命時間を管理するための回路を示す図である。 従来の高圧放電ランプを示す断面図である。
以下、本発明の一実施形態に係る高圧放電ランプについて、図1〜図6を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態の高圧放電ランプ1は、放電し光を発光するガラス製の発光管10と、発光管10からの光に指向性を持たせて出射するリフレクタ20と、発光管10とリフレクタ20とをそれぞれ固定する碍子30と、発光管10と電気的に接続されるワイヤ16、17(図4参照)と、を主に備える。
図3に示すように、発光管10は、一対の電極11、12が対向して配置される楕円体状の発光管部13と、該発光管部13の両端部に連接され、一対の電極11、12の長手軸線Xに沿って延びる一対の側管部14、15と、を有する。また、発光管部13の内部空間内には、ハロゲンガス、水銀、始動用アルゴン等が封入されており、一対の側管部14、15は、発光管部13の内部空間を封止する。なお、発光管部13の形状は、球面状であってもよい。
リフレクタ20は、長手軸線X方向の一方側に設けられ、一方の側管部14が突出する開口部21と、長手軸線X周りに形成される放物面状の反射面22と、長手軸線X方向の他方側に形成され、他方の側管部15が隙間gを持って挿入可能な挿入孔23と、を有する。
発光管10は、一方の側管部14内に延びる一方の電極11をアノード(陽極)とし、他方の側管部15内に延びる他方の電極12をカソード(陰極)としている。これは、一般的に、直流放電灯では電極の先端形状のサイズが(陰極)<(陽極)であるため、放電により発光する光は陽極側で遮られる角度が陰極側で遮られる角度よりも大きい。一方、リフレクタ20は、開口部21側で受けられる光の角度を大きくするためにはリフレクタ20を深くする必要がある。そのため、光を遮る角度の大きい陽極をリフレクタ20の開口部21側にすることで、陰極を開口部21側にするよりも、リフレクタ20を小型化することができる。
一方の側管部14の先端部、及び他方の側管部15の基端部から延びる電線は、給電に用いられる一対のワイヤ16、17にそれぞれ接続されている。なお、一方の側管部14と接続されたワイヤ16は、リフレクタ20に取り付けられた受け台24を介して外部に導出される。
リフレクタ20は、椀状の底部の外側に碍子30のベース部31を被せ、その接合部を接着剤で固着している(図4参照)。また、碍子30のベース部31の筒状の中央部分は、リフレクタ20の挿入孔23内に挿入される他方の側管部15の基端側部分を保持する保持部32を備える。他方の側管部15は、この保持部32で碍子30と接着剤で固定される。
したがって、リフレクタ20及び発光管10の他方の側管部15は、碍子30にそれぞれ固定され、リフレクタ20と発光管10とは接着されておらず、他方の側管部15とリフレクタ20の挿入孔23との間の隙間は、空間sを形成する。
碍子30は、上述したベース部31と、保持部32を含んで該ベース部31の後方を覆うカバー部33と、を有する。カバー部33の底部33aは平坦に形成されている。
このため、この平坦な底部33aに図示しないランプ押さえカバーを当接させ、このランプ押さえカバーと図6に示すランプホルダ40とを結合することで、ランプ1をランプホルダ40に固定してもよい。
図3に戻って、碍子30のベース部31は、他方の側管部15とリフレクタ20の挿入孔23との間の空間sと外部とを連通すると共に、他方の側管部15を外部に開放した2つの開放部34を有する。そして、図6に示すように、ランプ1がランプホルダ40に取り付けられた状態において、ランプホルダ40の後方でエアを引いて排気することで、ランプ1の前面から取り入れたエアが、空間sと開放部34とを通過して、発光管10を冷却する。したがって、空間sと開放部34は、冷却路を形成する。
なお、図4に示すように、碍子30のベース部31とカバー部33との間の収容空間には、抵抗体としての白熱灯35が配置されており、外部の給電ワイヤ36と接続されている。この白熱灯35のフィラメント35aは抵抗体であるため、周囲の温度に影響されて抵抗値が変化する。尚、給電ワイヤ36は、ワイヤ16,17とは別系統の電源に接続される。また、この白熱灯35は、冷却路を通過するエアにより冷やされないように、該収容空間に配置されている。例えば、白熱灯35に電流を供給し、白熱灯35のフィラメント35aの両端の電圧を測定し、該電圧を、前もって調べておいた電圧と温度のデータベースと照らし合わせて、ランプの温度や冷却状態を管理することができる。或いは、白熱灯35に十分に大きな電流を供給し、白熱灯35のフィラメント35aの溶断を行う。溶断の有無を判定回路にて確認し、使用履歴管理を行うようにしてもよい。
なお、抵抗体としては、白熱灯35の他、金属皮膜抵抗、炭素抵抗、金属ワイヤ、熱電対、バイメタル等を用いて、寿命管理や、温度管理を行うようにしてもよい。
また、白熱灯35は、ランプ1の碍子30の内部にあっても良いし、碍子30の外側に配置されて給電ワイヤ36と接続されていても良い。
また、リフレクタ20の開口部21の外縁は、隅部が面取りされた略正方形状に形成されているが、4つの隅部の1つは、アライメント用の切り欠き26とされ、3つの隅部と異なる形状とされている。これにより、ランプ1がランプホルダ40に取り付けられると、ランプ1は、すべて同じ向きにアライメントされる。
発光管10は、上側に位置する部分の温度が高くなるため、上側を通る空気の量を多くすると、冷却効率が上がる。
このため、ランプホルダ40が組み込まれる照明装置において、碍子30に形成された2つの開放部34が上下方向に位置するように、ランプ1がアライメントされてランプホルダ40に取り付けられることが好ましい。
また、上側に位置する開放部34の開口面積を、下側に位置する開放部34の開口面積よりも大きくなるように、碍子30の形状を非対称にして、冷却効率をさらに高めてもよい。例えば、本実施形態では、図1に示すように、開放部34の開口隙間gは、長手軸線Xを通る2つの平面によって規定されており、該2つの平面によって形成される角度を変えることで、該開口隙間g、ひいては、開口面積を変更することができる。
ここで、本実施形態のランプ1では、照度アップを図るため、発光管部13でのエネルギー量を増大させており、それに伴って、発光管部13での温度が、従来のものよりも高温となる。一方、一方の側管部14及び他方の側管部15から延びる電線とワイヤ16、17との接続部分は、耐熱性の観点から比較的温度を下げる必要がある。
このため、本実施形態では、一方の側管部14の長さL1を、他方の側管部15の長さL2よりも長く設計している。即ち、他方の側管部15は、冷却路内を通過するエアに晒されることで、一方の側管部14に比べて放熱作用が高い。これに対して、一方の側管部14は、他方の側管部15よりも長くすることで、発光管部13と、一方の側管部14からの電線とワイヤ16との接続部分までの距離を離して、該接続部分での温度の低減をさらに図る。したがって、発光管10の両側管部14、15で冷却効率を高めることができる。
具体的に、本実施形態では、一方の側管部14の長さL1は、他方の側管部15の長さL2に対して、1.1〜1.4倍に設定されている。
また、図4に示すように、一方の側管部14は、ランプ1からの光を阻害しないように、ランプ1の不感領域A内に配置される。
図5(a)に示すように、発光管部13では、一対の電極11、12間での放電により、輝点Pで生じた光は放射状に広がるが、電極11、12が存在することにより、光の配向分布は、斜線部Bのようになり、電極11、12が延在する方向では、影ができる。
また、図5(b)に示すように、リフレクタ20は、放物面であり、発光管10の輝点Pは、放物面の焦点に配置されている。このため、輝点Pから発した光線は、一点鎖線で示すように、リフレクタ20の反射面22で反射して平行光となる。しかしながら、輝点Pの焦点からのずれと、輝点Pが有限のサイズを持っているため、実際は、点線で示すような光線を含むため、すべてが平行光とはならない。この平行光を含むすべての光線の方向を考慮すると、リフレクタ20で反射した光は、さらに、図5(b)に示す斜線部Cを全て通過する。そして、これに対して、全ての反射した光が通過しない位置を不感領域Aとすると、一方の側管部14は、図4に示すように、ランプ1の不感領域A内に配置されているので、リフレクタ20で反射した光を阻害することはない。この不感領域Aは、リフレクタ20の放物面の形状を設計することで与えられる。
このため、リフレクタ20には、開口部21に隣接し、リフレクタ20の軸方向一端を規定する、長手軸線X方向に垂直な平坦面25が設けられているが、一方の側管部14は、この平坦面25からの突出長さが長くなる。即ち、図3に示すように、長手軸線X方向において、リフレクタ20のこの平坦面25から一方の側管部14の先端までの距離L3は、発光管部13の中心からリフレクタ20の平坦面25までの距離をL4としたとき、0.2×L4≦L3≦1.0×L4に設定される。
各側管部14、15の管径は、各側管部14、15の長さL1、L2に対して強度を確保できる太さで、且つ、一方の側管部14がランプ1の不感領域Aからはみ出さないように設定される。
ここで、図3に示すように、各側管部14、15の管径をD1とすると、一方の側管部14の長さL1に対して、D1≦0.4×L1に設定されている。
また、一方の側管部14及び他方の側管部15は、それぞれ円筒状とし、互いの管径をD1と同一としている。各側管部14、15は発光管部13と接続されており、発光管部13は各側管部14、15を介してワイヤ16、17と接続される。発光管部13は、非常に高温であるが、ワイヤ16、17は酸化防止のため温度を低くする必要があり、各側管部14、15で温度勾配を作ることでワイヤ16、17の温度低下を実現している。
各側管部14、15の管径D1を同じにすることで発光管部13と接続する近傍の温度勾配を両極で同じに設定しやすくなる。一方、発光管部13の両極で温度勾配差が大きくなるとガラス内部に歪が蓄積し、破裂を誘発する要因となる。
また、リフレクタ20は、開口径をD2、仮想的な放物面PAにおける焦点位置をf1とすると、D2/f1=7〜10に設定されることが好ましい。この範囲に設定することで、集光位置が略1m以上となり、効率よくフライアイレンズに光を集めることができる。
このように構成された高圧放電ランプ1は、図6に示すように、縦方向及び横方向に複数ずつ、ランプホルダ40に装着されることで、露光装置用の光源部として適用される。また、図示しない排気装置により、ランプホルダ40の背面側のエアを排気することで、ランプホルダ40の前面側からのエアを、各高圧放電ランプ1の空間sを冷却路としてランプ1に取り込むことで、各ランプ1を冷却することができる。なお、ランプホルダ40の背面側は、ランプ押さえカバーと協働して密閉空間を構成し、該密閉空間からエアを排気するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態の高圧放電ランプによれば、碍子30は、発光管10の他方の側管部15とリフレクタ20の挿入孔23との間に形成された空間sと外部とを連通する開放部34を有し、また、一方の側管部14の長さL1は、他方の側管部15の長さL2よりも長い。これにより、発光管10の両側管部14、15での冷却効率を高めることができ、ランプ自体の照度アップを図ることができる。
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本発明では、発光管とワイヤとの接続の仕方や、発光管内部の構成は、本実施形態のものに限定されず、従来の任意のものを適用することができる。
また、本発明では、図7に示すような回路を用いて、寿命時間の管理を行うようにしてもよい。即ち、直列に配置された抵抗体RiとヒューズFi(それぞれ、i=1,2,・・・,n;nは1、好ましくは2以上の整数)とが、並列にn列配置される。抵抗体Riは、それぞれ抵抗値が異なり、ヒューズFiが切れる電流値はそれぞれ異なる。寿命時間を管理する際には、電源部50から異なる電流を流すことで、各ヒューズFiを所定時間経過するごとに切断する。なお、電源部50のrは、電源の内部抵抗を表している。
また、電源部50の電圧を制御して、各ヒューズFiを順に切断することで、寿命時間の管理を行うようにしてもよい。
さらに、すべての抵抗体RiとヒューズFiの合成抵抗値を判定回路にて判定することにより、ランプ1の仕様を判別することが可能である。この場合、仕様の異なるランプ1を点灯させた状態においても、寿命管理が可能となり、正常、且つ安全に点灯することができる。
尚、上記回路は、ヒューズFiを設けずに、抵抗値がそれぞれ異なる複数の抵抗体Riを並列に配置するようにし、電源部50から異なる電流を流すことで、各抵抗体Riが所定時間経過するごとに順に溶断するようにしてもよい。
また、抵抗体は、ランプ1の碍子内部にあっても良いし、給電ワイヤ36と外部との電気的接触を図る図示していないコネクタ部に接続されていても良い。この場合も、抵抗体は、ランプ電極に電力を供給するワイヤ16,17とは別系統の電源に接続されている必要がある。
本発明は、2017年2月2日出願の日本特許出願(特願2017−017856)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
1 高圧放電ランプ
10 発光管
11、12 電極
13 発光管部
14、15 側管部
20 リフレクタ
21 開口部
22 反射面
23 挿入孔
25 平坦面
30 碍子
34 開放部
A 不感領域
s 空間
L1 一方の側管部の長さ
L2 他方の側管部の長さ

Claims (4)

  1. 一対の電極が対向して配置される楕円体状又は球面状の発光管部と、該発光管部の両端部に連接され、前記一対の電極の長手軸線に沿って延びる一対の側管部と、を有するガラス製の発光管と、
    前記長手軸線方向の一方側に設けられ、一方の前記側管部が突出する開口部と、前記長手軸線周りに形成される放物面状の反射面と、前記長手軸線方向の他方側に形成され、他方の前記側管部が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
    前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
    を備え、
    前記碍子は、前記他方の側管部と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、
    前記一方の側管部の長さは、前記他方の側管部の長さよりも長く、
    前記一方の側管部は、前記ランプの不感領域内に配置されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
  2. 前記リフレクタには、前記開口部に隣接し、前記長手軸線方向に垂直な平坦面が設けられ、
    前記長手軸線方向において、前記リフレクタの平坦面から前記一方の側管部までの距離L3は、前記発光管部の中心から前記リフレクタの平坦面までの距離をL4としたとき、0.2×L4≦L3≦1.0×L4であることを特徴とする請求項1に記載の高圧放電ランプ。
  3. 一対の電極が対向して配置される楕円体状又は球面状の発光管部と、該発光管部の両端部に連接され、前記一対の電極の長手軸線に沿って延びる一対の側管部と、を有するガラス製の発光管と、
    前記長手軸線方向の一方側に設けられ、一方の前記側管部が突出する開口部と、前記長手軸線周りに形成される放物面状の反射面と、前記長手軸線方向の他方側に形成され、他方の前記側管部が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
    前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
    を備え、
    前記一方の側管部の長さは、前記他方の側管部の長さよりも長く、
    前記碍子は、前記他方の側管部と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通すると共に、前記他方の側管部を前記外部に開放した2つの開放部を有し、
    前記2つの開放部は、開口面積が互いに異なることを特徴とする高圧放電ランプ。
  4. 請求項3に記載の高圧放電ランプが複数装着されたランプホルダを備える照明装置であって、
    前記高圧放電ランプは、前記碍子に形成された前記2つの開放部が上下方向に位置するように、前記ランプホルダに取り付けられ、
    上側に位置する前記開放部の開口面積は、下側に位置する前記開放部の開口面積よりも大きいことを特徴とする照明装置。
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